下向焊接工藝在坦桑尼亞維多利亞湖供水工程中應(yīng)用

摘要本文介紹了下向焊工藝技術(shù)特點(diǎn)及其在坦桑尼亞維多利亞湖供水工程中的應(yīng)用，著重介紹了施工程序及操作工藝，焊接中易產(chǎn)生的缺陷及原因，并根據(jù)該項(xiàng)焊接技術(shù)的特點(diǎn)和坦桑尼亞的實(shí)際情況提出了防治措施。

關(guān)鍵詞下向焊工藝 高纖維素焊條 焊縫檢測 缺陷分析

1.工程概況

坦桑尼亞大湖地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，缺水嚴(yán)重。維多利亞湖供水項(xiàng)目主要就是把坦桑尼亞境內(nèi)的維多利亞湖水抽出經(jīng)過凈化處理后送往位于Ihelele山頂水池，再通過該水池依靠自重輸送到城市Shinyanga和kahama。該工程是關(guān)系到坦桑人民的生存、生活大計(jì)的工程，因此工程質(zhì)量被擺在了相當(dāng)重要的位置。該工程分為四個(gè)標(biāo)段，除第一標(biāo)段管道工程較少外，其他三個(gè)標(biāo)段主要是鋪設(shè)輸送水的管道，每個(gè)標(biāo)段的管道數(shù)量和口徑略有差異，但總量都不小。以第四標(biāo)段為例，主要是指從Solwa開始為城市Shinyanga及沿途村鎮(zhèn)供水。從Solwa到Old Shinyanga之間的主管道，采用的是直徑為700mm、壁厚為7.1mm鋼管，總長為64.922公里；從位于Old Shinyanga的山頂水池到Shinyanga的北區(qū)水塔支線，采用的是直徑為900mm、壁厚為8mm鋼管，總長為5.629公里；從Shinyanga的北區(qū)水塔到Shinyanga的南區(qū)水塔支線，采用的是直徑為700mm、壁厚為6.3mm鋼管，總長為11.391公里；從Shinyanga的北區(qū)水塔到Shinyanga的中區(qū)水塔支線，采用的是直徑為600mm、壁厚為5.0mm鋼管，總長為2.166公里；從Shinyanga的中區(qū)水塔到Shinyanga的東區(qū)水塔支線，采用的是直徑為600mm、壁厚為5.0mm鋼管，總長為8.314公里。此外，還有Shinyanga城區(qū)管網(wǎng)的5個(gè)區(qū)（老城區(qū)、南區(qū)、東區(qū)、中區(qū)、北區(qū)）采用的是直徑為300mm、壁厚為3.2mm的鋼管計(jì)20.664公里，直徑為400mm、壁厚為4.0mm的鋼管計(jì)7.386公里，直徑為500mm、壁厚為5.0mm的鋼管計(jì)7.961公里。要高質(zhì)量、高效率地完成這么長距離管道的鋪設(shè)，作為管道施工主要工序之一的焊接，其質(zhì)量問題是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵。

2.技術(shù)應(yīng)用

在該項(xiàng)目的城市供水管網(wǎng)和水塔支線施工中，因?yàn)楣艿涝O(shè)計(jì)壓力為1.6MPa、管徑從300mm到900mm，管線強(qiáng)度級(jí)別相對(duì)低些，選用鋼管材質(zhì)均為L235，所以采用普通上向焊技術(shù)施工即可滿足要求。而主管道全長64.922公里，設(shè)計(jì)壓力4.0MPa，采用L355雙面螺旋埋弧焊管，鋼管規(guī)格為φ711×7.1，三層PE防腐，這些都為下向焊的采用提供了條件；其次，下向焊技術(shù)在進(jìn)行有上述特點(diǎn)的工程施工中，采用的焊縫間隙小，故填充金屬少，焊接速度快，使得與傳統(tǒng)上向焊工藝相比，顯得高效、節(jié)能；另外，選用的纖維素焊條，焊條電弧吹力大、抗外界干擾能力強(qiáng)；連續(xù)焊接，焊接接頭少，焊縫成型美觀；采用的多層多道焊接操作工藝，使得焊縫的內(nèi)在質(zhì)量好，無損檢測合格率高；此外，該方法操作技能單一、易于學(xué)習(xí)與掌握，也便于流水作業(yè)施工。結(jié)合坦桑尼亞的實(shí)際情況，本工程采用了高纖維素焊條下向焊工藝。

在該項(xiàng)目施工過程中，主管道的施工屬長輸管線的野外施工，要穿越沼澤地、灌木叢、農(nóng)田、河流、公路、巖石區(qū)等，特別是雨季的沼澤地施工和巖石區(qū)的施工難度非常大。針對(duì)上述出現(xiàn)的問題，為保證工程質(zhì)量，根據(jù)坦桑尼亞的氣候變化，分別制定了雨季和旱季施工焊接措施，位于沼澤地的管線盡量放在旱季施工，巖石區(qū)管線提前進(jìn)行爆破，有的管段采用分段施工，分段下管，也有的管段采用溝下組焊，圍繞焊接質(zhì)量從各個(gè)方面加以控制。

該項(xiàng)目中，選用的焊材為美國新順發(fā)有限公司生產(chǎn)的林肯Pipeliner 6P+3.2mm 和Pipeliner 6P+4.0mmE6010（AWS）焊條打底，國產(chǎn)的天津大橋牌J507 +3.2mmE7015（AWS ）焊條填充、罩面；焊接設(shè)備選用美國林肯公司的DC400纖維素向下焊機(jī)和唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司生產(chǎn)TIG/TSP300直流脈沖焊機(jī)和TIG/WP300交、直流脈沖焊機(jī)。

正式施工前，按BSEN 10224:2002《非合金鋼管及管件用于輸送與水有關(guān)的液體包括飲用水的技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，檢驗(yàn)的項(xiàng)目有：外觀檢查、刻槽錘斷試驗(yàn)、X射線探傷檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)。并在工藝評(píng)定后，制訂了相關(guān)的焊接工藝規(guī)程。由業(yè)主派駐的咨詢?nèi)藛T對(duì)上崗焊工進(jìn)行了資格審查及現(xiàn)場考試，這些為工程的開工提供了前提條件。

為確保工程質(zhì)量，在正式施工時(shí)，還應(yīng)對(duì)現(xiàn)場加強(qiáng)控制，具體施工控制 。

2.1 纖維素焊條藥皮成分和工藝特性

纖維素焊條立向下焊，電弧具有熔深大，穿透力強(qiáng)，根部打底焊單面焊雙面成形好，氣孔敏感性小，操作難度小，焊縫內(nèi)外質(zhì)量高，焊工易掌握，培訓(xùn)周期短等工藝特點(diǎn)。

2.1.1 纖維素焊條藥皮的主要成分

a. 25~40%纖維素（木粉、淀粉、酚醛樹脂粉、微量纖維、表粉等）；

b. 8~16%碳酸鹽（碳酸鉀、鈣等）；

c. 8~20%鐵合金（SiO2、TiO2、MnO、FeO、MgO、Al2O3等）；

d. 10~15%金屬氧化物；

e. 20%其它成分。

2.1.2 藥皮的作用

藥皮中大量有機(jī)物分解，形成大量氣體（CO、CO2、H2、H2O等），對(duì)焊縫有很強(qiáng)的保護(hù)效果，并且電弧吹力大，熔滴過渡呈噴射狀。

2.1.3 在直流弧焊機(jī)電源正接和反接時(shí)，其熔滴過渡的形態(tài)不同。

直流正接時(shí)，焊條端部形成的熔融金屬體積小，電弧吹力大，氣流足以使焊條端頭熔化金屬飛離，實(shí)現(xiàn)小顆粒過渡。電弧穩(wěn)定性強(qiáng)，度大，焊縫熔深大，一般適用于根部打底焊，單面焊雙面成形背面成形好。

由于正接電弧的飛濺大，熔深大，不易獲得滿意的表面成形，在熱焊、填充焊和蓋面焊不常使用。

直流反接時(shí)，焊條端部熔融金屬幾乎完全是塊狀的熔化金屬，表面吹力大，雖有這么大的造氣劑也很難將熔滴吹成小顆粒過渡形態(tài)。因此，直流反接時(shí)，其熔滴過渡為接觸式短路過渡。每次短路過渡后，由于焊條端部熔融金屬體積變小，在藥皮套筒和氣流的影響下，又出現(xiàn)顆粒過渡形態(tài)。所以，纖維素焊條直流反接時(shí)是短路過渡伴隨顆粒過渡的混合過渡形態(tài)。這是不同于其它焊條過渡形態(tài)的特殊形式，直流反接一般適用于熱焊、填充焊、蓋面焊層的施焊。

2.2 焊接前的準(zhǔn)備。

2.2.1 坡口成型與組對(duì)

鋼管的組對(duì)和定位焊是保證焊接質(zhì)量和焊縫背面成型良好的基礎(chǔ)。管道對(duì)接前必須用角磨機(jī)、電動(dòng)鋼絲刷將坡口及內(nèi)外壁20~25mm范圍內(nèi)的油污、浮銹、水分、泥沙、氧化皮等雜物以及坡口內(nèi)側(cè)機(jī)加工毛刺等清除干凈，使坡口及兩側(cè)各大于10mm范圍的內(nèi)外表面露出金屬光澤。

采用E6010（AWS）纖維素焊條打底時(shí)，在包裝、保管良好的情況下，可不用烘干即可施焊，否則，應(yīng)進(jìn)行70℃~80℃烘干，保溫0.5~1h，焊條重復(fù)烘干次數(shù)不多于兩次。

定位焊縫因作為正式焊縫的一部分，通常要求焊縫長度≤20mm，為利于接頭，其兩側(cè)打磨成緩坡狀。

當(dāng)管壁厚大于6mm時(shí)，纖維素型焊條的坡口角度一般為55°～65°，鈍邊為1.5～2.0mm，對(duì)口間隙為1.2～2.0mm，允許的最大錯(cuò)邊量≤1.6mm。管口組對(duì)時(shí)，將鋼管的原有焊縫相互錯(cuò)開，距離不得小于100mm。當(dāng)管道壁厚小于20mm時(shí)，接頭形式如圖1所示，該工程中管徑600mm以上的管道壁厚為6.3~8mm，故采用該接頭形式。

2.2.2 電焊條選擇

下向焊時(shí)，焊條藥皮類型、強(qiáng)度級(jí)別的選擇與向上焊時(shí)相同。焊條直徑原則是盡量選取直徑大的焊條。在管壁厚度在6mm以下時(shí)，選用Φ3.2mm焊條；管壁厚度在6mm以上時(shí)，用Φ3.2焊條打底焊，必須用Φ4mm或Φ5mm焊條填充焊和蓋面焊；當(dāng)管壁厚為8～10mm時(shí)，分為4層焊接，用Φ3.2mm焊條打底焊，用Φ4mm焊條填充焊和蓋面焊。根據(jù)工程實(shí)際，選用Φ3.2mm打底選用Φ4mm焊條填充和蓋面。

2.2.3 焊接電流選擇

焊接工藝參數(shù)直接影響焊縫成形和焊接質(zhì)量。焊接電流過小時(shí)容易出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣等缺陷；電流過大易產(chǎn)生咬邊、背面燒穿、焊瘤等缺陷。電弧電壓太高，會(huì)使空氣中氮侵入熔池，出現(xiàn)氮?dú)饪?。焊接速度太大，?huì)使結(jié)晶速度增加，使氣體殘留在焊縫中而出現(xiàn)氣孔。當(dāng)直流反接時(shí)，氣孔產(chǎn)生的傾向性小。在焊接前應(yīng)通過試驗(yàn)和測試明確焊接工藝參數(shù)，常見的焊條直徑和電流如表1所示。

2.3 操作要領(lǐng)

2.3.1 根焊

根焊是整個(gè)管接頭焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。操作時(shí)，要求焊工必須正確掌握運(yùn)條角度和運(yùn)條方法，并保持均勻的運(yùn)條速度。施焊時(shí)，一名焊工先從管接頭的12點(diǎn)往前5~10mm處引弧，采用短弧焊作直線運(yùn)條，也可有較小擺動(dòng)，但動(dòng)作要小，速度要快，要求均勻平穩(wěn)，做到“聽、看、送”的統(tǒng)一，即既要“聽”到電弧擊穿鋼管的“撲撲”聲，又要“看”到熔孔的大小，觀察判斷出熔池的溫度，還要準(zhǔn)確地將鐵水“送”至坡口根部。熄弧時(shí)，應(yīng)在熔池下方做一個(gè)熔孔，應(yīng)比正常焊接時(shí)的熔孔大些，然后還要迅速用角磨機(jī)將收弧處打磨成15~20mm的緩坡，以利于再次引弧。要求在根焊時(shí)，在根焊焊接超過50%后，撤掉外對(duì)口器，但對(duì)口支座或吊架應(yīng)至少在根焊完成后撤離。

2.3.2 熱焊

熱焊與根焊時(shí)間間隔應(yīng)小于5min，目的是使焊縫保持較高溫度，以提高焊縫力學(xué)性能，防止裂紋產(chǎn)生。熱焊的速度要快，運(yùn)條角度也不可過大，以避免根部焊縫燒穿。

2.3.3 填充焊

第三、四遍焊接為填充焊，具體工作中，可根據(jù)填充高度的不同，適當(dāng)加大焊接電流，稍做橫向或反月牙擺動(dòng)。同熱焊一樣，焊前須用角磨機(jī)對(duì)上一層焊縫進(jìn)行打磨，避免因清渣不干凈造成夾渣等缺陷。另外，合理掌握焊條角度、控制相應(yīng)弧長也是防止缺陷產(chǎn)生的主要前提。

2.3.4 蓋面焊

蓋面焊前的清渣及打磨處理應(yīng)有利于蓋面層的焊接，通過焊條的適當(dāng)擺動(dòng)，可將坡口兩側(cè)覆蓋，克服坡口未填滿及咬邊等缺陷，通常覆蓋寬度按相關(guān)規(guī)范及工藝執(zhí)。兩名焊工收弧時(shí)應(yīng)相互配合，一人須焊過6點(diǎn)位置5~10mm后熄弧。蓋面焊時(shí)焊條的操作傾角與其它焊道略不同，變化情況如圖2、3。

在上述各層焊縫施焊中，應(yīng)注意焊接接頭不能重疊，應(yīng)彼此錯(cuò)開20~30mm，用角磨機(jī)對(duì)各層焊縫進(jìn)行清理，清理的結(jié)果應(yīng)能有利于下道焊縫施焊的焊接質(zhì)量。

3. 焊接缺陷分析及預(yù)防措施

此工程管線長，都是野外作業(yè)，環(huán)境因素復(fù)雜，焊接工序繁多，因此焊縫存在不完美的地方是難免的。根據(jù)目前已經(jīng)完成打壓試驗(yàn)的56km管道來看，質(zhì)量是過關(guān)的，但本工程仍然相當(dāng)重視焊接質(zhì)量問題，力圖把焊縫的缺陷降低到最小程度。

焊縫的主要缺陷是氣孔、夾渣和未熔合三個(gè)方面，除此之外，還有少量未焊透、內(nèi)凹、焊瘤等缺陷?，F(xiàn)在進(jìn)行各個(gè)方面的原因分析。

氣孔缺陷產(chǎn)生原因主要有：①管口有鐵銹、油類和水分等雜質(zhì)。鐵銹中含有較多Fe2O3和結(jié)晶水，對(duì)熔池金屬一方面有氧化作用，另一方面析出大量氫氣，因而易產(chǎn)生氣孔；②焊接工藝參數(shù)的影響，包括焊接電流、電壓和焊接速度等；③焊條藥皮的含水量過低（生產(chǎn)日期長）或過高（開封后長期暴露在空氣中）；④焊接時(shí)焊條波形前進(jìn)寬度過大或焊工技術(shù)發(fā)揮不穩(wěn)定；⑤焊接熔敷金屬時(shí)延遲了脫氧過程；⑥母材過熱。

根據(jù)工程實(shí)際情況，采取了以下預(yù)防措施：①施工中嚴(yán)格清理管口、坡口的雜物；②嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，確保施工中直流電的穩(wěn)定；③加強(qiáng)焊條的保管和發(fā)放工作，隨用隨取，剩余焊條存放在密閉容器內(nèi)，每位焊工配備專用焊條筒；④施焊中密切注視熔池的冷卻，發(fā)生氣孔馬上?；√幚?；⑤嚴(yán)格控制焊接時(shí)層間溫度，不一味追求焊接速度。

焊縫中夾渣主要有氧化物、氮化物和硫化物。氧化物夾渣主要是SiO2，一般多以硅酸鹽形式存在。在焊接過程中熔池的脫氧越完全，焊縫中的氧化物夾渣越少。在熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)時(shí)，只有少量氧化物由于操作不當(dāng)進(jìn)入焊縫中。氮化物夾渣主要是Fe4N，它是焊縫在時(shí)效過程中由飽和固溶體中析出的，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。一般情況只有在保護(hù)不好時(shí)才可能發(fā)生。硫化物夾渣主要來源于焊條藥皮，經(jīng)冶金反應(yīng)轉(zhuǎn)入熔池的，主要為MnS和FeS兩種。MnS影響比較小，而FeS沿晶界析出，并與Fe或FeO形成低熔共晶（988℃），是引起熱裂紋的主要原因之一。

防止焊縫中產(chǎn)生夾渣最重要的是注意工藝操作。選用合適的焊接工藝參數(shù)，適當(dāng)提高焊接電流強(qiáng)度，以利于熔渣的浮出。兩層焊道之間使用電動(dòng)鋼絲刷或動(dòng)力角向砂輪機(jī)清理焊道。避免被熔金屬的過渡傾斜，以降低熔渣產(chǎn)生的可能性。

未熔合缺陷產(chǎn)生的主要原因是：①電流不穩(wěn)定或電流過大；②焊接速度過快；③管道對(duì)口存在錯(cuò)邊現(xiàn)象；④坡口表面受污染或被氧化；⑤坡口表面溶化程度不足。

產(chǎn)生缺陷的原因有類似的地方，預(yù)防措施除了認(rèn)真做好管口級(jí)配合管口矯圓工作，調(diào)節(jié)好對(duì)口器，避免管口錯(cuò)邊外，其他的和前述預(yù)防措施類似。

4.結(jié)束語

下向焊技術(shù)在坦桑尼亞維多利亞湖供水項(xiàng)目施工中的應(yīng)用為該技術(shù)的普及邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。實(shí)踐證明，該方法不僅能有效提高工程進(jìn)度，工程質(zhì)量也能得到有效保證，且該方法易于掌握，可在條件許可情況下，在城市供水管網(wǎng)建設(shè)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)

1.顧紀(jì)清，陽代軍.管道焊接技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2005年8月。

2.孫國夫.管道焊接用E6010與E8010-G纖維素焊條研究.全國焊接冶金及材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1998。

3.曾樂.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993。

4.道厚.下向焊焊接技術(shù)缺陷產(chǎn)生原因及預(yù)防.焊接，2000。